Die Wärmebehandlung macht aus einem weichen, gut zerspanbaren Rohling ein Zahnrad, das Jahre lang Last trägt. Sie bewegt dabei aber auch das Metall. Jedes abgeschreckte Zahnrad verformt sich ein wenig, und bei schlecht konstruierten oder falsch eingelagerten Teilen kann die Verformung so groß werden, dass das Teil aussortiert werden muss. Verzug ist kein zufälliger Fehler, den ein Lieferant entweder behebt oder nicht, sondern eine vorhersehbare mechanische Reaktion auf Hitze, Umwandlung und Zwang. Er muss konstruktiv berücksichtigt, durch Aufmaß aufgefangen und schließlich durch Fertigbearbeitung korrigiert werden. Wer die Wärmebehandlung als Black Box behandelt, erhält oft Eier statt runde Bohrungen, Zähne mit Flankenlinienfehler, unebene Stirnflächen und Teilungsfehler, die erst auffallen, wenn das Getriebe heult. Das Gute ist: Die meisten Verzugsursachen sind gut verstanden. Sobald der Mechanismus klar ist, geht es nur noch um Aufmaß, Einspannung und Prozesskontrolle.
Während des Abschreckens wirken zwei unterschiedliche Spannungen, und jede biegt das Teil auf ihre Weise. Die Wärmespannung entsteht durch ungleichmäßiges Abkühlen: Die Oberfläche kühlt ab und versucht, sich zuerst zusammenzuziehen, während der Kern noch heiß und plastisch ist. Dadurch wird die Oberfläche gezogen, und wenn später der Kern abkühlt und sich zusammenzieht, wird die Oberfläche schließlich gedrückt. Die Umwandlungsspannung entsteht durch die Austenit-Martensit-Umwandlung selbst, weil Martensit mehr Volumen braucht als der Austenit, aus dem er entsteht. Die Oberfläche wandelt sich zuerst um und dehnt sich aus, während der Kern noch weicher Austenit ist; wenn der Kern schließlich umwandelt und sich ausdehnt, drückt er die bereits gehärtete Randzone nach außen. Welche Spannung dominiert, hängt von der Härtbarkeit des Stahls, der Bauteildicke, der Abschreckgeschwindigkeit und der Einspannung ab. Das Ergebnis ist eine Mischung aus Wachstum, Schrumpfung, Durchbiegung und Ovalität, die ohne Versuchsdaten kaum zu erraten ist. Das Einsatzhärten erschwert die Lage zusätzlich: Die kohlenstoffreiche Randzone wandelt sich anders um als der kohlenstoffarme Kern, die Randzone wächst meist, während der Kern schrumpft. Ist die Aufkohlung über den Zahn ungleichmäßig, nehmen Zahnfuß oder eine Seite der Zahnbreite mehr Kohlenstoff und mehr Ausdehnung auf als die andere, was die Flankenlinie des Zahns verbiegt. Das Anlassen baut die Abschreckungseigenspannungen ab, aber das Entspannen selbst kann die Maße geringfügig verschieben. Daher werden stabile Teile zweimal angelassen oder lange genug auf Temperatur gehalten, bis die Bewegung abgeschlossen ist.
Große und dünnwandige Zahnräder sind die Fälle, in denen der Verzug am stärksten zubeißt. Ein dünnwandiger innerer Hohlring mit großem Durchmesser und kleiner radialer Wandstärke wird beim Abschrecken oft oval, weil der dünne Kranz schneller abkühlt als der schwerere Steg und der verschraubte Ring, die ihn stützen. Querschnittssprünge wirken ähnlich: Eine Nabe, die viel schwerer ist als der Steg, oder ein Kranz, der viel schwerer ist als der Steg, kühlt in seinem eigenen Tempo und zieht den leichteren Querschnitt aus der Rundheit. Einseitig angeordnete Bohrungen, Keilnuten und Leichtbohrungen brechen die Rotationssymmetrie, wirken als lokale Kühler und Kerben, sodass das Zahnrad ungleichmäßig am Umfang wächst. Lange schmale Ritzelwellen und Zahnwellen verhalten sich wie ein Bogen: Eine Seite der Welle kühlt etwas schneller als die andere, die Umwandlungsausdehnung ist einseitig, und das Teil verlässt das Bad mit einem bleibenden Flankenlinienfehler, der nur durch Richten oder Schleifen zu beseitigen ist. In der Praxis sind die schlimmsten Fälle dünne Hohlräder, einseitige Flansche, Keilwellen und Stege mit asymmetrischen Ausschnitten.
Die Standardantwort lautet: So viel Material übriglassen, dass die Wärmebehandlung in das Aufmaß hineinlaufen kann, und die wahren Flächen nach dem Härten wieder zurückarbeiten. Die Reihenfolge beginnt mit der Zerspanung: Rohling drehen, bohren und wälzfräsen nahe Endmaß, aber auf jeder Fläche, die später genau sein muss, eine großzügige Schicht stehen lassen. Typische Aufmaße sind 0,3 bis 1,0 mm auf den Bohrungsdurchmesser, 0,2 bis 0,5 mm auf den Außendurchmesser, einige Zehntel auf jede Stirnfläche und 0,15 bis 0,35 mm pro Zahnflanke, je nach Modul, Randschichttiefe und den gemessenen Verzugsdaten des Lieferanten. Das Aufmaß muss symmetrisch sein: Mehr Material auf einer Seite des Stegs oder einer Zahnflanke zu lassen, versteckt den Verzug nur, er beseitigt ihn nicht. Eine Spannungsarmglühung oder ein Normalisieren zwischen Vor- und Fertigbearbeitung entfernt die Zerspanungseigenspannungen, die sich sonst zur Abschreckspannung addieren würden. Nach dem Abschrecken und Anlassen kommt das Teil zurück in die Fertigung: Die Bohrung wird auf Maß geschliffen oder gehont, die Stirnflächen werden eben und parallel geschliffen, und erst danach werden die Zähne fertig geschliffen. Wer die Zähne schleift, bevor die Bohrung wahr ausgerichtet ist, schreibt den Lauf in die Teilung fest.
Das Schleifen der gehärteten Zähne ist der Fertigungsschritt, der den Verzug nach der Wärmebehandlung tatsächlich korrigiert, birgt aber sein eigenes Risiko. Eine stumpfe Schleifscheibe, ein zu hoher Vorschub oder Kühlmittel, das nicht in die Kontaktzone kommt, können die Zahnflanke so stark erhitzen, dass die Randzone wieder angelassen wird. Das erzeugt eine weiche, unangelassene Zone oder sogar ein Netz feiner Schleifrisse, die sich unter Last ausbreiten. Übliche Gegenmaßnahmen sind eine scharfe und häufig abgerichtete Scheibe, kleine Zustellungen, reichlich Hochdruckkühlung im Kontaktbogen und ein Ausfunkhub. Es lohnt sich auch, die Grenzen der anderen Fertigungsverfahren zu verstehen: Das Schälen geschieht immer vor der Wärmebehandlung am weichen Zahnrad und kann den Abschreckverzug daher überhaupt nicht korrigieren. Das Honen entfernt nur wenige Mikrometer und wird nach dem Schleifen eingesetzt, um die Oberfläche zu verbessern und eine Druckeigenspannung einzubringen, die den Lärm senkt. Das Schleifen ist das einzige Verfahren, das Profil-, Flankenlinien- und Teilungsfehler nach dem Härten wirklich korrigieren kann. Bei mittelgenauen Zahnrädern ist Schälen plus Wärmebehandlung kostentechnisch ausreichend, für hochgenaue oder schnell laufende Zahnräder gibt es aber keinen Ersatz für das Schleifen nach dem Abschrecken, oft gefolgt von einem leichten Honhub.
Eine praktische Kontrollliste gehört zu jedem Projekt. Vor der Wärmebehandlung wird das Teil vorgedreht und spannungsarm geglüht, weil frisch bearbeitete Rohlinge ihre eigenen eingeschlossenen Spannungen tragen. In der Konstruktion gilt Symmetrie: gleichmäßige Wandstärken, symmetrische Bohrbilder, zusätzliche Spielbohrungen dort, wo Masse auszugleichen ist, und die Vermeidung dünner Flansche, die zuerst abkühlen. Beim Einlegen werden Wellen senkrecht auf Dornen gehängt, Hohlräder auf ebenen Gestellen oder mit Innenabstützungen gelagert, und der Ofen wird so beschickt, dass kein Teil ein anderes an kritischen Flächen berührt. Das Abschreckmittel ist sorgfältig zu wählen: Öl- oder Polymerabschreckung bewegt das Teil deutlich weniger als Wasser, und gesteuerte Umwälzung schlägt die ruhende Abschreckung. Die Ofentemperatur ist über die gesamte Charge gleichmäßig zu halten, mit kalibrierten Zonenregelungen und langsamem Rampen durch den Umwandlungsbereich. Vorher und nachher wird gemessen: Abschreckproben oder repräsentative Muster laufen lassen, Ovalität der Bohrung, Lauf und Flankenlinie aufzeichnen und für jede Zahnradfamilie eine Verzugskarte führen. So kann das Aufmaß über die Zeit verengt werden, statt bei jeder Bestellung geraten zu müssen.
Verzug behandelt man am besten als Zahl, die vorherzusagen ist, nicht als Unfall, den es zu vermeiden gilt. Wenn Sie ein Zahnrad beim Lieferanten bestellen, machen Sie das Gespräch konkret: Nennen Sie die geforderte Genauigkeitsklasse, akzeptieren Sie, dass zum Erreichen das Schleifen nach der Wärmebehandlung eingesetzt wird, legen Sie fest, welche Flächen nach dem Härten fertigbearbeitet werden müssen, und fragen Sie zuerst nach Mustern, damit das Aufmaß abgestimmt werden kann. Ein Lieferant, der den Verzug nicht messen will oder null Bewegung durch das Abschrecken verspricht, verspricht etwas, das keine Wärmebehandlung liefern kann. Mit realistischem Aufmaß, vernünftiger Einspannung und dokumentiertem Prozess lässt sich derselbe Abschreckvorgang, der Ihre Zahnräder härtet, auch so führen, dass sie nah genug an der Wahrheit bleiben, dass ein Fertigungshub sie in die Toleranz bringt.